教程 - 映射 C 语言的结构(Struct)和联合(Union)类型

这是本系列的第 2 篇教程. 第 1 篇教程是映射 C 语言的基本数据类型. 此外还有教程映射 C 语言的函数指针(Function Pointer) 和教程映射 C 语言的字符串.

本教程中, 你将学习:

如何映射结构(Struct)和联合(Union)类型
如何在 Kotlin 中使用结构和联合类型

映射 C 的结构(Struct)和联合(Union)类型

要理解 Kotlin 和 C 之间的映射, 最好的方法是试验一段小示例程序. 我们在 C 语言中声明一个结构和一个联合, 看看它们如何映射到 Kotlin.

Kotlin/Native 带有 cinterop 工具; 这个工具会生成 C 语言和 Kotlin 之间的绑定. 它使用一个 .def 文件来指定一个要导入的 C 库. 详情请参见教程与 C 库交互.

在前面的教程中, 你创建了一个 lib.h 文件. 现在, 直接在 interop.def 文件中包含这些声明, 在专门的 --- 分割行之后:

---

typedef struct {
    int a;
    double b;
} MyStruct;

void struct_by_value(MyStruct s) {}
void struct_by_pointer(MyStruct* s) {}

typedef union {
    int a;
    MyStruct b;
    float c;
} MyUnion;

void union_by_value(MyUnion u) {}
void union_by_pointer(MyUnion* u) {}

这个 interop.def 文件已经足以编译和运行应用程序, 或在 IDE 中打开它. 现在来创建项目文件, 在 IntelliJ IDEA中打开项目, 并运行它.

查看为 C 库生成的 Kotlin API

尽管可以直接使用命令行, 或者通过脚本文件(比如 .sh 或 .bat 文件), 但这种方法不适合于包含几百个文件和库的大项目. 更好的方法是使用带有构建系统的 Kotlin/Native 编译器, 因为它会帮助你下载并缓存 Kotlin/Native 编译器二进制文件, 传递依赖的库, 并运行编译器和测试. Kotlin/Native 能够通过 kotlin-multiplatform plugin 使用 Gradle 构建系统.

关于如何使用 Gradle 设置 IDE 兼容的项目, 请参见教程一个基本的 Kotlin/Native 应用程序. 如果你想要寻找具体的步骤指南, 来开始一个新的 Kotlin/Native 项目并在 IntelliJ IDEA 中打开它, 请先阅读这篇教程. 在本教程中, 我们关注更高级的 C 交互功能, 包括使用 Kotlin/Native, 以及使用 Gradle 的跨平台构建.

首先, 创建一个项目文件夹. 本教程中的所有路径都是基于这个文件夹的相对路径. 有时在添加任何新文件之前, 会需要创建缺少的目录.

使用以下 build.gradle(.kts) Gradle 构建文件:

plugins {
    kotlin("multiplatform") version "1.9.23"
}

repositories {
    mavenCentral()
}

kotlin {
    linuxX64("native") { // 用于 Linux 环境
    // macosX64("native") { // 用于 x86_64 macOS 环境
    // macosArm64("native") { // 用于 Apple Silicon macOS 环境
    // mingwX64("native") { // 用于 Windows 环境
        val main by compilations.getting
        val interop by main.cinterops.creating

        binaries {
            executable()
        }
    }
}

tasks.wrapper {
    gradleVersion = "8.1.1"
    distributionType = Wrapper.DistributionType.BIN
}

plugins {
    id 'org.jetbrains.kotlin.multiplatform' version '1.9.23'
}

repositories {
    mavenCentral()
}

kotlin {
    linuxX64('native') { // 用于 Linux 环境
    // macosX64("native") { // 用于 x86_64 macOS 环境
    // macosArm64("native") { // 用于 Apple Silicon macOS 环境
    // mingwX64('native') { // 用于 Windows 环境
        compilations.main.cinterops {
            interop
        }

        binaries {
            executable()
        }
    }
}

wrapper {
  gradleVersion = '8.1.1'
  distributionType = 'BIN'
}

项目文件将 C interop 配置为构建的一个额外步骤. 下面将 interop.def 文件移动到 src/nativeInterop/cinterop 目录. Gradle 推荐使用符合约定习惯的文件布局, 而不是使用额外的配置, 比如, 源代码文件应该放在 src/nativeMain/kotlin 文件夹中. 默认情况下, 来自 C 的所有符号会被导入到 interop 包, 你可能想要在我们的 .kt 文件中导入整个包. 请查看 Multiplatform Gradle DSL 参考文档, 学习它的各种配置方法.

创建一个 src/nativeMain/kotlin/hello.kt 桩(stub)文件, 内容如下, 看看 C 中的结构和联合类型声明在 Kotlin 会成为什么:

import interop.*

fun main() {
    println("Hello Kotlin/Native!")

    struct_by_value(/*fix me*/)
    struct_by_pointer(/*fix me*/)
    union_by_value(/*fix me*/)
    union_by_pointer(/*fix me*/)
}

现在你可以在 IntelliJ IDEA 中打开项目, 看看如何修正示例项目. 在这个过程中, 我们来看看 C 的结构和联合类型如何映射到 Kotlin/Native 声明.

结构和联合类型在 Kotlin 中的映射结果

通过 IntelliJ IDEA 的 Go to | Declaration 的帮助, 或查看编译器错误, 你可以看到为 C 函数, struct, 和 union 生成的 API:

fun struct_by_value(s: CValue<MyStruct>)
fun struct_by_pointer(s: CValuesRef<MyStruct>?)

fun union_by_value(u: CValue<MyUnion>)
fun union_by_pointer(u: CValuesRef<MyUnion>?)

class MyStruct constructor(rawPtr: NativePtr /* = NativePtr */) : CStructVar {
    var a: Int
    var b: Double
    companion object : CStructVar.Type
}

class MyUnion constructor(rawPtr: NativePtr /* = NativePtr */) : CStructVar {
    var a: Int
    val b: MyStruct
    var c: Float
    companion object : CStructVar.Type
}

你可以看到 cinterop 为我们的 struct 和 union 类型生成的包装类型. 对 C 中声明的 MyStruct 和 MyUnion 类型, 相应的生成了 Kotlin 类 MyStruct 和 MyUnion. 这些包装类型继承自基类 CStructVar, 并将所有的域声明为 Kotlin 属性. 它使用 CValue<T> 来表达一个传值(By-Value)的结构参数, 使用 CValuesRef<T>? 表达传递结构或联合的指针.

技术上, 在 Kotlin 中 struct 和 union 类型没有区别. 注意, Kotlin 中 MyUnion 类的 a, b, 和 c 属性使用相同的内存位置来读写它们的值, 和 C 语言中的 union 一样.

关于更多细节以及高级使用场景, 请参见与 C 代码交互文档.

在 Kotlin 中使用结构和联合类型

在 Kotlin 中为 C 的 struct 和 union 类型生成的包装类很容易使用. 由于存在那些生成的属性, 在 Kotlin 代码中使用它们感觉很自然. 目前唯一的问题是, 如何为这些类创建一个新的实例. 如你所见, 在 MyStruct 的 MyUnion 声明中, 构造函数需要一个 NativePtr 参数. 当然, 你不希望手动处理指针. 相反, 你可以让 Kotlin API 来为我们初始化这些对象.

我们来看一下生成的那些接受 MyStruct 和 MyUnion 参数的函数. 你可以看到, 传值的参数表达为 kotlinx.cinterop.CValue<T>. 对于类型指针参数则是 kotlinx.cinterop.CValuesRef<T>. Kotlin 为我们提供了 API 方便的处理这两种类型, 我们来试一下.

创建一个 `CValue<T>`

CValue<T> 类型用来向 C 函数传递一个传值的参数. 使用 cValue 函数来创建 CValue<T> 对象实例. 函数要求一个带接受者的 Lambda 函数来初始化底层的 C 类型. 函数声明如下:

fun <reified T : CStructVar> cValue(initialize: T.() -> Unit): CValue<T>

现在来看看如何使用 cValue, 并传递传值的参数:

fun callValue() {
    val cStruct = cValue<MyStruct> {
        a = 42
        b = 3.14
    }
    struct_by_value(cStruct)

    val cUnion = cValue<MyUnion> {
        b.a = 5
        b.b = 2.7182
    }

    union_by_value(cUnion)
}

使用 `CValuesRef<T>` 创建结构和联合

在 Kotlin 中, CValuesRef<T> 类型用来传递 C 函数的有类型指针参数. 首先, 你需要 MyStruct 和 MyUnion 类的实例. 可以直接在 native 内存中创建它们. 方法是对 kotlinx.cinterop.NativePlacement 类型使用扩展函数:

fun <reified T : kotlinx.cinterop.CVariable> alloc(): T

NativePlacement 表示 native 内存, 它有类似于 malloc 和 free 的函数. NativePlacement 有几种实现. 全局实现通过 kotlinx.cinterop.nativeHeap 来调用, 在使用完毕后不要忘记调用 nativeHeap.free(..) 函数来释放内存.

另一个选择是使用函数:

fun <R> memScoped(block: kotlinx.cinterop.MemScope.() -> R): R

它创建一个短期存在(Short-Lived)的内存分配范围(Allocation Scope), 所有分配的内存将会在 block 的末尾自动清除.

使用指针调用函数的代码大致如下:

fun callRef() {
    memScoped {
        val cStruct = alloc<MyStruct>()
        cStruct.a = 42
        cStruct.b = 3.14

        struct_by_pointer(cStruct.ptr)

        val cUnion = alloc<MyUnion>()
        cUnion.b.a = 5
        cUnion.b.b = 2.7182

        union_by_pointer(cUnion.ptr)
    }
}

注意, 这段代码使用来自 memScoped Lambda 接受者类型的扩展属性 ptr, 来将 MyStruct 和 MyUnion 实例转换为 native 指针.

MyStruct 和 MyUnion 类内部保存指向 native 内存的指针. 内存会在 memScoped 函数结束时释放, 等于在是它的 block 的末尾. 请确保指针没有在 memScoped 调用范围之外被使用. 对于需要生存周期更长的指针, 或者缓存在 C 库内部的指针, 你可以使用 Arena() 或 nativeHeap.

`CValue<T>` 和 `CValuesRef<T>` 之间的转换

当然, 有些使用场景中, 对一个函数调用你需要以值的方式传递一个结构, 然后对另一个函数调用需要以引用的方式传递同一个结构. 在 Kotlin/Native 中也是可以实现的. 这里需要用到 NativePlacement.

首先我们来看看 CValue<T> 如何转换为指针:

fun callMix_ref() {
    val cStruct = cValue<MyStruct> {
        a = 42
        b = 3.14
    }

    memScoped {
        struct_by_pointer(cStruct.ptr)
    }
}

这段代码使用来自 memScoped Lambda 接受者类型的扩展属性 ptr, 来将 MyStruct 和 MyUnion 实例转换为 native 指针. 这些指针只在 memScoped block 之内有效.

对于反过来的转换, 要将一个指针转换为一个传值的变量, 我们调用 readValue() 扩展函数:

fun callMix_value() {
    memScoped {
        val cStruct = alloc<MyStruct>()
        cStruct.a = 42
        cStruct.b = 3.14

        struct_by_value(cStruct.readValue())
    }
}

运行代码

现在你已经学习了如何在你的代码中使用 C 的声明, 你可以在真实的例子中尝试了. 我们来修正代码, 看看它如何运行, 方法是在 IDE 中调用 runDebugExecutableNative Gradle task, 或使用以下命令:

./gradlew runDebugExecutableNative

最终的 hello.kt 文件中的代码大致如下:

import interop.*
import kotlinx.cinterop.alloc
import kotlinx.cinterop.cValue
import kotlinx.cinterop.memScoped
import kotlinx.cinterop.ptr
import kotlinx.cinterop.readValue

fun main() {
    println("Hello Kotlin/Native!")

    val cUnion = cValue<MyUnion> {
        b.a = 5
        b.b = 2.7182
    }

    memScoped {
        union_by_value(cUnion)
        union_by_pointer(cUnion.ptr)
    }

    memScoped {
        val cStruct = alloc<MyStruct> {
            a = 42
            b = 3.14
        }

        struct_by_value(cStruct.readValue())
        struct_by_pointer(cStruct.ptr)
    }
}

下一步

阅读以下教程, 继续探索更多 C 语言数据类型, 以及它们在 Kotlin/Native 中的表达:

与 C 代码交互文档还讲解了更多的高级使用场景.

最终更新: 2024/10/17